汽车EGR阀座压铸充型凝固过程数值模拟及工艺优化

李 鑫，梁继辉，黄 勇，岳峰丽，孟昭昕

(沈阳理工大学 a.汽车与交通学院;b.材料科学与工程学院，沈阳 110159)

汽车EGR阀座压铸充型凝固过程数值模拟及工艺优化

李 鑫a，梁继辉a，黄 勇b，岳峰丽a，孟昭昕b

(沈阳理工大学 a.汽车与交通学院;b.材料科学与工程学院，沈阳 110159)

对汽车EGR阀座进行结构分析，设计正交试验表，运用ProCAST软件，根据正交试验方案对汽车EGR阀座压铸充型凝固过程进行数值模拟。根据模拟结果优化出EGR阀座压铸工艺参数：压射速度1m/s,模具预热温度190℃，浇注温度620℃。设计并制造出EGR阀座压铸模具，用优化出的压铸工艺参数进行压铸实验，得到了合格的EGR阀座压铸件。观察其金相组织，EGR阀座产品性能满足使用要求，验证了模拟结果的正确性，可应用于生产实践中。

EGR阀座；数值模拟；正交试验；工艺优化

压力铸造是一种把液态或半固态金属在高速高压下充入压铸模型腔内，并使铸件在这种状态下凝固所形成的一种方法[1]。压力铸造是特种铸造的一种铸造方式，可大量生产出与压铸型腔相符的铸件，且生产过程是连续的，在生产过程的后处理阶段可以达到少切削量甚至无切削量[2]，这有别于其它工艺方法。近几年来，汽车行业越来越注重汽车的轻量化、低排放以及高效率[3]，因此，压力铸造工艺引起了汽车制造业的广泛关注。

1 EGR阀座结构分析

EGR(Exhaust Gas Recirculation)阀座结构尺寸为66mm×66mm×65mm,，平均壁厚为3.11mm。结构对称且较复杂，EGR阀座下方存在四处加强肋，在其上方存在两个对称通孔。根据EGR阀座的形状及结构特征，将浇注系统设计为双内浇口的浇注方式，设计四个溢流槽来改善充型及排除气体，分型面设计为梯形，模具设计中需一个侧抽芯。阀座材料为ADC12，模具材料为 H13。图1为EGR阀座三维造型图。图2为EGR阀座的铸件图。

图1 EGR阀座的三维造型图

图2 EGR阀座的铸件图

2 正交试验设计及模拟结果分析

正交试验是利用正交表在所有试验中选出具有代表性的试验方案，并根据试验结果进行分析，从而获得优化方案，因此，正交试验设计可大大减少模拟时间[4]。影响压铸件质量的因素有很多，例如内浇口的尺寸大小及模具预热温度、浇注温度、压射速度等工艺参数都对铸件质量有很大的影响[5]。试验目标是为了获得较高质量的产品(缩孔、缩松量较少)以及较高的生产效率(充型时间及凝固时间较短)。因此，选择压射速度(A)、模具预热温度(B)、浇注温度(C)、内浇口长度(D)、内浇口宽度(E)、内浇口厚度(F)为因素[6]，以充型时间、凝固时间以及缩孔缩松量为指标建立六因素三水平正交试验表。其中，缩孔、缩松量由平均体积百分比来表示[7]。表1为因素水平表，表2为正交试验结果表,表3为正交试验分析表。

图3为各因素对充型时间、凝固时间以及缩孔、缩松值的影响。

图3 各因素对充型时间、凝固时间及缩孔、缩松值的影响

充型时间分析：根据正交试验分析表可知，各因素对充型时间影响的主次顺序为：压射速度(A)>浇注温度(C)>模具预热温度(B)>内浇口长度 (D)>内浇口宽度(E)>内浇口厚度(F)。由图3可知：压射速度越大，充型时间越少，这是因为在同种情况下，压射速度越大，金属液体进入内浇口的速度越大[8]。与压射速度相比，其它因素对充型时间的影响都很小。

表1 因素水平表

表2 正交试验结果表

表3 正交试验分析表

凝固时间分析:由正交试验分析表可知，对凝固时间影响最大的因素是模具预热温度。由图3可知，当模具预热温度越高，凝固时间越长。这是由于模具预热温度越高，金属液的散热速度越慢[9]；其次是浇注温度，当浇注温度越高时，金属液的冷却速度越慢，因此凝固时间越长；相比之下，压射速度、内浇口长度、内浇口宽度以及内浇口厚度对凝固时间的影响较小。

缩孔、缩松值分析：根据正交试验分析表可知，各因素对缩孔、缩松值影响的主次顺序为：内浇口厚度(F)>内浇口宽度(E)>模具预热温度(B)=内浇口长度(D)>浇注温度(C)>压射速度(A)。由图3可知，适宜的增加内浇口的厚度，有利于内浇口处向型腔内继续传递压力，有效的减少缩孔、缩松值[10]；适当增加内浇口的宽度也有利于减少铸件的缩孔、缩松值；模具预热温度对铸件缩孔、缩松值的影响也较显著，当模具预热温度从180℃上升到190℃时，铸件的缩孔、缩松值有明显的降低趋势，当模具预热温度继续上升时，过高的模具温度会使金属液的冷却速度变慢，铸件容易出现缩孔、缩松缺陷[11]；随着内浇口长度变大，铸件的缩孔、缩松值呈现出先减少后增加的趋势，这是由于内浇口长度过大，则会阻碍内浇口处向内传递压力[12]；随着浇注温度的增加，铸件的缩孔、缩松值也呈现出先减少后增加的趋势，当浇注温度为620℃时，铸件的缩孔、缩松值最低。对比之下，压射速度对铸件的缩孔、缩松值的影响并不显著。

优化工艺参数的确定：在压铸工艺生产中，最首要的是保证铸件的质量[13]，在保证铸件质量的基础上应尽量减少充型时间及凝固时间，以此来缩短铸件的生产周期，提高生产效率。因此，以缩孔、缩松值为主，以充型时间、凝固时间为辅综合考虑来确定优化的工艺参数，分析得到优化的压铸工艺参数为A1B2C2D2E3F3，即压射速度1m/s,模具预热温度190℃，浇注温度620℃；内浇口尺寸为：内浇口长度2.5mm，内浇口宽度17mm，内浇口厚度2.6mm。

3 优化工艺参数的数值模拟

根据优化的工艺参数对EGR阀座进行数值模拟，图4为阀座压铸充型过程图，图5为阀座压铸凝固过程图，图6为EGR阀座缩孔缩松缺陷图。

图4 阀座压铸充型过程图

铸件充型过程分析：金属液体经过直浇道、横浇道及内浇口后，沿着EGR阀座两端进入型腔内，首先金属液沿着壁面填充EGR阀座上方的两个通孔；随之向型腔中心处流动，后向型腔下方流动；同时，型腔上侧的金属液由于碰到型腔中部的壁面而改变方向，向上继续填充，直到型腔被填满，最后充满溢流槽，充型过程完毕。

图5 EGR阀座压铸凝固过程图

铸件凝固过程分析：由于模具预热温度相对于金属液的温度较低，因此EGR阀座的表面、肋板以及溢流槽部分最先凝固，如图5a所示。随着凝固过程进一步进行，除了壁厚较大处及直浇道处，铸件的大部分都已经凝固，如图5b所示。在图5c中，铸件除了直浇道上方未凝固外已全部凝固。最后，铸件全部凝固，如图5d所示。

图6 EGR阀座缩孔、缩松缺陷图

铸件缩孔、缩松分析：图6所示，铸件的缩孔、缩松主要集中在铸件壁厚较大的位置处，且分布较对称；在四个溢流槽内存在部分缩孔、缩松，这对铸件质量无影响；在距离内浇口较远位置处存在少量的缩孔、缩松。用优化的工艺参数模拟出的缩孔、缩松平均体积百分比值为0.57%，小于18组正交试验中的任一一组试验值，故铸件质量得到较大改善，优化工艺可行。

4 生产验证

根据优化后的压铸工艺参数进行汽车EGR阀座压铸生产。图7为生产出来的EGR阀座，铸件形状清晰，表面光滑，未发现明显缺陷。根据模拟结果对铸件容易产生缩孔、缩松的位置(选择如图8所示A点位置处)进行金相组织观察，图9为A点金相组织图，可以看出铸件微观孔洞较少，且容易产生缩孔缩松的位置位于铸件的中间，对铸件质量影响较小。由此证明该铸件质量合格，可以大批量生产，验证了模拟结果的正确性。

图7 生产出的EGR阀座产品图

图8 铸件A点位置

图9 铸件A点位置金相组织图

5 结论

(1) 模拟了EGR阀座压铸充型凝固过程，优化设计出压铸工艺参数：压射速度1m/s，模具预热温度190℃，浇注温度620℃。

(2) 对铸件进行了生产验证，得到了合格的EGR阀座。通过金相组织观察，证明了产品性能满足要求，验证了模拟结果的正确性，并可应用于生产实践中。

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NumericalSimulationandProcessOptimizationofAutoEGRSeatDie-casting

LI Xin，LIANG Jihui，HUANG Yong，YUE Fengli，MENG Zhaoxin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The structure of the automobile′exhaust gas recirculation valve seat was analyzed,The table of the orthogonal experiment was designed,According to orthogonal test scheme,the numerical simulation of the filling and solidification process of EGR valve seat was carried out by using ProCAST software.According to the simulation results,the die-casting process parameters of the EGR valve seat was optimized:injection speed 1m/s,mold preheating190℃,pouring temperature 620℃.The diecasting mold of the EGR valve seat was designed and manufactured.The die casting experiment was carried out with the optimized die-casting process parameters,and the qualified EGR valve seat die casting was obtained.Observing the microstructure,EGR valve Seat product performance can meet the requirements,the correctness of the simulation results was verified,which can be applied to production practice.

EGR valve seat；numerical simulation；orthogonal experiment;process optimization

2017-05-08

李鑫(1993—)，女，硕士研究生；通讯作者：梁继辉(1978—)，男，副教授，研究方向：汽车现代设计与制造技术。

1003-1251(2017)06-0014-05

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